（环境工程专业论文）采用生物和化学组合技术合成聚硅硫酸铁混凝剂的研究.pdf

摘要 针对目前国内外制备聚硅酸硫酸铁p f s s 方法的弊端，本论文以工业硫酸亚铁 为原料，通过氧化亚铁硫杆菌的氧化作用制备硫酸铁，与聚合硅酸复合得到一种 制备聚硅酸硫酸铁的新方法。应用该法制备的混凝剂来处理模拟废水，效果良好， 具有比较广阔的应用前景。 通过极端酸性条件自然筛选出氧化亚铁硫杆菌，研究了p h 、温度、接种量等 对原始菌种的迟缓期的影响，结果表明p h 2 0 、温度3 0 。c 、接种量的增加可以缩 短迟缓期。通过自然定向培育得到能耐受低至p h l 7 的菌种，通过紫外诱变，f e 2 + 完全氧化提前了约1 2 h ，平均氧化速率由0 1 8 8 9 l h 提高到了0 2 0 6 9 l h ，菌种 的氧化活性明显增强。 对驯化过的菌种进行生长动力学研究，在m o n o d 方程的基础上，考虑底物抑 制和产物抑制建立生长动力学模型= 面面干占喾警；：i ；币虿可，该方程的预测 值和实验值吻合良好。 以工业硫酸亚铁为基本原料，在分批悬浮培养中，经过4 次反复培养，氧化 速率达到稳定，优化的最佳实验条件为h ：s 0 4 f e s o 。7 h ：0 ( 摩尔比) 为1 ：8 ，通气 量为6 0 l h ，加大母液料液的比可以缩短反应的迟缓期，在反应中初始f e ”浓 度的升高会延长迟缓期，降低平均氧化速度。 通过固定化技术增加细胞浓度，增加生物氧化的反应速率。本实验中采用丙 纶纤维作为固定化的载体，通过吸附法来固定化细胞，研究了p h 值对固定化过 程的影响，结果表明p h 为1 8 时对固定化过程较为有利。当氧化速率达到稳定 时，固定化细胞平均氧化速率为0 4 2 9 f e ”l h ，明显高于悬浮细胞平均氧化速 率为0 2 9 f e ”l h ，在室温下，当曝气量增大到l o o l h 时为最佳。在反应过程 中，p h 值呈先升后降的趋势，初始p h 为l - 8 最大可以升到2 5 ，之后开始下降 到1 8 ，在反应过程中损失的总铁离子很少，有利于反应器的长期操作。过高的 初始f e 2 + 浓度，不仅降低平均氧化速度，载体上也容易形成沉淀。 最后研究了聚合硅酸硫酸铁的制备以及应用效果，结果表明当f e ”s i o z 为1 ： 1 时，除浊效果最佳。p f s s 具有较宽的p h 使用范围，p h 值在5 9 的范围内具 有良好的混凝效果，絮体形成速度快、结实、沉降性能好。相对于生物硫酸铁 b f s ，聚合硅酸硫酸铁p f s s 的混凝能力要强的多，在投加量为l o m g l ( 以f e ”计) 广东工业人学工学硕士学位论文 时，对模拟废水的除浊率可以达到9 9 ，而b f s 只有8 8 4 ，并且p f s s 混凝形 成的矾花大而实，沉降速度快。 关键词：氧化亚铁硫杆菌；固定化；聚硅酸硫酸铁 i i a b s t r a c t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so fd o m e s t i ca n do v e r s e a sm e t h o d so f p r e p a r a t i o no fp f s s ，i nt h i st h e m san e wm e t h o di sd e v e l o p e di nw h i c h i n d u s t r i a lf e s 0 4i su s e da sm a t e r i a l ，f e ：( s 0 4 ) 3i sp r e p a r e db yt h eo x i d a t i o n a c t i o no f 劢i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s , t h e np f s si s p r e p a r e db ym i x i n g p o l y m e r i cs i l i c i ca c i da n df e 2 ( s 0 9 nt h ef l o c c u l a t i n ga g e n tp r e p a r e db y t h i sm e t h o di su s e dt ot r e a ts t i m u l a n tw a s t ew a t e r ，t h ee f f e c ti s f a v o r a b l ea n dt h ea p p l l e df o r e g r o u n di sc o m p a r a t i v e l yw i d e f h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n si sn a t u r a l l vf i l t r a t e df r o me x t r e m e l ya c i d c o n d i t i o n ，t h ei n f l u e n c eo fp h 、t e m p e r e t u r e 、a m o u n to fi n o c u l a t i o no nl a g p h a s eo f 肋i o b a c i l u sf e r r o o x l d a n sa r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e l a gp h a s ec a nb er e d u c e du n d e rp h 2 0 、t e m p e r a t u r e 3 0 a n di n c r e a s i n g a m o u n to fi n o c u l a t i o n t h eb a c t e r i aw h i c hc a nr e s i s tp h i 7a r es e i e c t e d t h r o u g hn a t u r a ld o m e s t i c a t i o n t h et i m eo fc o m p l e t eo x i d a t i o no ff e ”i s b r o u g h tf o r w a r da b o u t1 2 ha f t e ru l t r a v i 0 1 e tm u t a g e n e s i s a n dt h ea v e r a g e o ft h eo x i d a t i o no ff e ”i si n c r e a s e df r o m0 1 8 8 9 l ht o0 2 0 6 9 l h t h e a c t i v i t yo ft h eb a c t e r i ai si m p r o v e do b v i o u s l y 。 t h eg r o w t hk i n e t i c so ft h eb a c t e r i at h a th a v e b e e nd o m e s t i c a t e di s s t u d i e d b a s e do nm o n o de q u a t i o n t h eg r o w t hk i n e t i c sm o d e l ：一q ：孥兰! 盟z - b l i t h e i n h i b i l se s t a b1 s h e dw h e nts u b s t a n c e1 n h i b l t l o n = - = _ = h en 。0 9 4 + j 叠“】 2 9 7 x f e “】 a n dp r o d u c ti n h i b i t i o na r et a k e ni n t oa c c o u n t t h ef o r e c a s t e dv a l u e so f e q u a t i o nf a v o r a b l yi n o s c u l a t et ot h ev a l u e so fe x p e r i m e n t i nb a t c h s u s p e n d e d c u l t u r e t h ei n d u s t r i a lf e s 0 4i su s e db a s i c m a t i e r a l 。a f t e rf o u rt i m e sc u l t u r et h er a t eo fo x i d a t i o ni ss t e a d y 。t h e o p t i m i z e de x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sa r ea sf o l l o w s ：h 2 s o _ ：f e s o d 7 h 2 0 ( r a t i o o ft 0 0 1 ) i s 1 ：8 ，a e r a t i o na m o u n t i s6 0 l h ，t h e l a gp h a s ei s r e d u c e db y i n c r e a s i n gt h er a t i oo fp r i m a r y1 i q u i da n df e e dl i q u i d w i t ht h ei n c r e a s i n g o fo r i g i n a lc o n c e n t r a t i o no ff e n + ，1 a gp h a s ew i 11b ep r o l o n g e d ，a n dt h e a v e r a g er a t eo fo x i d a t i o nw i l lb er e d u c e d t h eo x i d a t i o nr a t ei si n c r e a s e db yi m m o b i l i z e dc e l l t e c h n o l o g y t o i n c r e a s i n gc e l lc o n c e n t r a t i o n i nt h ee x p e r i m e n t ，t h ep o l y p r o p y l e n ef i b r e i su s e da si m m o b i l i z a t i o nc a r r i e r ，t h eb a c t e r i aa r ea b s o r b e do n t ot h e c a r r i e rb ym e t h o do fa d s o r p t i o n t h ei n f l u e n c eo fd ho ni m m o b i l i z a t i o n p r o c e s s i s i n v e s t g a t e d ，t h er e s u l ts h o w st h a tp h l 8 i s c o m p a r a t i v e l y f a v o r a b l et oi m m o b i l i z a t i o n w h e nt h er a t eo fo x i d a t i o ni ss t e a d y t h er a t e o fo x i d a t i o n ( 0 4 2 9 f e ”几h ) o fi 岫o b i l i z e dc e l i si so b v i o u s l yq u i c k e r t h a nt h er a t e ( o ，2g f e l h ) o fs u s p e n d e dc e lls ，u n d e rr o o mt e m p e r a t u r e c o n d i t i o n ， a e r a t i o na m o u n t1 0 0 l hi s o p t i m a l d u r i n g t h er e a c t i o n p r o c e s s ，t h ev a l u eo fp hh o i s t sa tf i r s ta n dt h e nd e s c e n d s ，t h eo r i g i n a l p h l 8 c a nr e a c ht h eh i g h e s t2 5 ，a n dt h e nd e s c e n d st o 1 8 d u r i n g t h e r e a c t i o n 。t h e1 0 s so ft o t a li r o ni o ni sv e r y1i t t l e ，w h i c hi sp r o p i t i o u s t ot h el o n g t e r mo p e r a t i o no ft h er e a c t o r 1 l i t h ep r e p a r a t i o no fp f s sa n dt h ea p p l i e de f f e c ta r es t u d i e da tl a s t t h e r e s u l ts h o w st h a tw h e nf e ”s i 0 2i s1 ：1 ，t h ee f f e c to fr e m o v i n gt u r b i d i t y i so p t i m a l t h ea p p l i e d 口hr a n g eo fp f s si sr e l a t i v e l yw i d e ，w h e nt h ev a l u e o fd hisb e t w e e n5a n d9t h ee f f e c to ff l o c c u l a ti o nisg o o d ，t h er a t eo f f o r m i n gf l o c c u l ei sq u i c k ，t h ef l o c c u l ei ss o l i d a n d h a sg o o ds e d i m e n t a t i o n p e r f o r m a n c e c o m p a r e dt ob i o l o g i cf e r r i cs u l p h a t eb f s ，t h e f l o c c u l a t i o n o fp f s si sm u c hb e t t e r ，w h e nt h ea d d i n ga m o u n ti sl o m g l ( c a l c u l a t i o nb a s e d o nf e ”) t h er e m o v i n gt u r b i d i t yc a nr e a c h9 9 ，b u tt h er e m o v i n gt u r b i d i t y o fb f si so n l y8 8 4 b e s i d e st h ef l o c c u l eo fp f s si sb i ga n ds o l i d ，a n d h a sq u i c ks e d i m e n t a t i o nr a t e k e yw o r d s ：t h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ；i m m o b i l i z a t i o n ：p f s s 1 v 第一章绪论 1 1 混凝剂在水处理中的应用现状 混凝是水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集过程，它是现代城市给水和工业废 水处理工艺中的关键环节之一，它既可以去除原水的浊度和色度等感官指标，又可 以去除一定的有毒有害污染物，可以自成独立的处理系统，又可以与其它单元过程 组合，用于预处理、中间处理和终处理。目前，混凝剂的发展趋势是从低分子向高 分子( 即低聚度向高聚度) 、单一型向复合型、单功能型向多功能型发展。多功能 是指混凝剂除混凝作用以外，还具有去除天然有机物( n o m ) 、脱色、除藻或缓蚀等 功能，达到- ? 0 j 多用的目的，从而可以缩短水处理工艺流程，减少设备等。混凝剂的 种类繁多，按化学成分可分为有机、无机和复合混凝剂三大类。其主要作用机理是 通过对水中胶体颗粒的压缩双电层作用、吸附架桥作用及沉淀物卷扫作用，使胶体 颗粒脱稳，从而聚集、沉降。 目前世界水处理药剂市场中，包括聚铁在内的无机絮凝剂已占有3 4 以上的市 场份额。我国水处理剂工业虽已具有了一定的规模和水平，但仍远远不能满足大 量的工业废水及民用水处理的要求，与国外先进水平相比还有不小的差距。业内 人士预计今后几年国内水处理剂的生产将有较快的发展，年需求量将达n 3 0 万吨 左右，其中絮凝剂的需求量为1 8 万吨。业内人士分析，由于铁系絮凝剂的净水效 果比传统药剂如a 1 。( s o 。) 。提高数倍，它将成为水处理领域的主流药剂，特别是在 生活饮用水的处理使用上，市场需求量呈逐年上升的趋势。由于铝系絮凝剂及聚 丙烯酰胺等有机物单体存在毒性问题“1 ，使得铁系混凝剂在水处理工业中的应用范 围不断扩大，日益受到企业界和学术界的重视。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 聚合硅酸硫酸铁的制备方法的研究 聚硅酸硫酸铁( p f s s ) 作为新型高分子无机混凝剂，同传统的无机盐类混凝剂 相比。有以下优点“1 ：( 1 ) 絮粒( 絮凝体) 形成速度快，颗粒密实，比重大，沉降速度快， ( 2 ) 对于各种废水中的c o d 、b o d 、色度及重金属均有良好的去除效果，( 3 ) 在应用 过程中，原水水温及p h 值适应范围较广，( 4 ) 对污泥有较好的脱水性。( 5 ) 合成原 料广泛，产品价格低；因此p f s s 可用于工业废水、城市污水、工业用水以及生活、 饮用水的处理。国内外对聚硅硫酸铁的制备都是通过化学方法制备，即利用硫酸 铁或聚合硫酸铁和硅酸钠复合制备，并且都只停留在实验室的研究阶段，吴金桥 等【4 1 用复合法由聚合硫酸铁与硅酸钠聚合合成了高铁含量的聚硅硫酸铁( p f s s ) ，通 过优化反应条件：硅铁摩尔比1 ：2 0 ，聚合温度4 0 。c ，聚合l h ，对5 9 l 的硅藻土上 层清液有很好的除浊率，所得p f s s 的最佳加量为4 0 l l l l ，适用于p h 值在6 1 2 范 围的污水，在相同条件下除浊效果优于原始聚合硫酸铁( p f s ) 和硫酸铁。王未肖， 高磊红等【5 1 以硅酸钠、硫酸铁为原料制备了无机高分子絮凝剂聚硅硫酸铁( p f s s ) ， 确定了最佳制备条件，研究了它的混凝除浊性能及对印染废水c o d 的去除率，结果 表明：p f s s 具有良好的混凝除浊，印染废水c o d 的去除率比较高，是一种比p f s 性能更优良的絮凝剂。存在的主要问题是原料硫酸铁来源并不广泛，制各过程条 件不好控制，产品稳定性差，存放过程中容易结胶，只能现场制备，这些都是限 制了工业化推广应用的原因。 1 2 2 聚合硫酸铁的制备方法研究 制备聚合硅酸硫酸铁首先要得到聚合硫酸铁或硫酸铁，生产聚合硫酸铁的含铁 原料来源广泛，如：四氧化三铁、铁粉、硫酸亚铁、菱铁矿、钢铁酸洗废液等， 其中以硫酸亚铁为原料合成最为理想，工业硫酸亚铁来源广泛，制备的硫酸铁含 重金属少，可直接用于饮用水处理，目前世界上已能生产固、液两种聚合硫酸铁 产品。但是如何低成本、低能耗的制备高质量、高稳定性的聚合硫酸铁仍是研究 领域的热点，其制备方法的研究倍受学术界和企业界的关注。 1 2 2 1 直接氧化法聚合硫酸铁可直接用氧化硫酸亚铁的方法制备，即用h 2 0 2 、 k c l 0 。、n a c l 0 、h n 0 。等强氧化剂，由硫酸亚铁溶液经氧化、水解、聚合而制得聚合 铁( p f s ) 。 1 双氧水氧化法“1双氧水( h 。0 。) 在酸性环境中是一种强氧化剂，可以将亚铁氧 化成三价铁从而制得聚合硫酸铁： 第一章绪论 2 f e s o 。+ h ：0 ：+ ( 1 一n 2 ) h 。s o 。= f e 。( o f f ) n ( s o 。) 。一。+ ( 2 - n ) h 。0 本法生产聚合硫酸铁，具有设备简单、生产周期短、反应不用催化剂、产品不 含杂质、稳定性高等特点。但反应过程中，有h 2 0 。分解时形成的0 。气放出，在无催 化剂时，起不到氧化作用。要控制0 ：的生成，就要控制h ：o 。的投加速度，制备工艺 为侧歇式操作，影响生产效率，并且h 。0 。成本较高，增加了生产聚合硫酸铁的生 产成本，不利于工业化生产。 2 次氯酸钠氧化法“1次氯酸钠属于碱性氧化剂，其氧化还原电位较高，理论上 能将亚铁氧化成三价铁： 2 f e s o 。+ n a c i o + ( 1 一n 2 ) h ：s o 。= f e 。( o h ) n ( s o 。) 。+ n a c l + ( 1 一n ) h 。0 副反应：2 n a c i o + 2h 。s o 。= n a 。s o ；+ 2 h ：0 + c 1 2 生成的氯气仍为强氧化剂，可以将亚铁氧化成三价铁。但氯气会有少量以气体 形式逸出而浪费掉，不能充分利用。同时也会造成环境污染，增加后处理工序。次 氯酸钠属于碱性氧化剂，制备聚合硫酸铁时，为了降低p h 值，h 。s o 。的用量较高， 该法制备的聚合硫酸铁稳定性差，不宜长期保存。 3 硝酸氧化法“1 硝酸为中强氧化剂，与亚铁反应如下： f e s o 。+ h n 0 3 _ f e ( o h ) s o ；+ n o 。f 反应生成的n o 。又可以起氧化作用，因而h n o 。的氧化效率高。用h n o 。氧化时， 成本较低，反应周期短。所得产品浓度高，易于制成固体产品，但反应中生成的n 0 z ， 会造成环境污染，需增加专门吸收装置予以处理。 4 氯酸钾( 钠) 氧化法”3 氯酸钾是广泛应用与炸药和火柴工业的强氧化剂，同 样可以将亚铁氧化为三价铁： 6 f e s o ；+ k c i o 。+ 3 ( 1 一n 2 ) h 2 s o 。= 3 f e 。( o h ) 。( s o 。) 。 + 3 ( 1 一n ) h 2 0 + k c l 制备时。将硫酸、亚硫酸铁和水按比例加入反应釜中，在常温或稍高温度下， 搅拌下加入氯酸钾，检验亚铁离子浓度减少到规定的浓度即可结束反应。该方法 工艺简单，设备投资少，产品稳定性好，反应效率高，无空气污染。产品中含有 氯酸钾，可兼做混凝剂和杀菌药剂，但是产品中残留有较高的氯离子和氯酸根离 子，不宜做饮用水处理，并且氯酸钾价格昂贵，产品成本高。 综上所述，直接氧化法虽然工艺简单，操作方便，但存在氧化剂用量大，氧化 剂引入的离子需分离除去，反应中产生的有害气体需要专门的设备吸收处理等问 题，因而难以在工业化生产中普及和应用，但实验研究中需要少量的聚合硫酸铁 时，采用此方法制备简单易行。 1 2 2 2 化学催化氧化法”1 聚合硫酸铁在工业化生产中多采用催化氧化法，即以 硫酸亚铁及硫酸为原料，借助催化剂( 主要用n a n o 。) 的作用，使硫酸亚铁在酸性介 质中被氧化成三价铁离子。其制备原理如下： ( 1 ) 催化氧化反应：2 f e s o 。+ h 。s o 。+ 1 2 0 。= f e 。( s o 。) 。+ h 。0 ( 2 ) 水解反应( 快反应) ：f e 。( s o 。) 。+ n h ：o = f e 。( o h ) 。( s o 一) 。w ：+ ( n 2 ) h 。s o t 我国国内已能进行工业化生产，催化剂n a n o 。是致癌物质，生产过程中投加量大， 产品中的亚硝酸根离子易超标，限制了其在饮用水处理中的应用，反应过程重有氮 的氧化物排出，污染环境，后处理工序复杂，反应速率慢。 为了解决上述不足，不少学者提出了很多有意义的改进方法，如加温加压，改 善生产工艺，添加助催化剂，寻找更有有效的且无毒的催化剂等。张明权”1 等使用 了一种尚未公开的催化剂，用量为2 5 ，反应时间缩短到2 h 。白玉* 等”1 对常见 的可能引起催化作用的化合物进行比较之后，发现n a n o 。仍是一种优良的催化荆， 在改进工艺后，选择n a i 为助催化剂，n a n o 。用量为2 0 ，亚铁完全被氧化的时 间为4 5 h 。采用催化氧化生产聚合硫酸铁，虽然已经进入了工业化阶段，但在改 进工艺和设备，缩短反应时间，提高生产效率，降低生产成本和能耗方面，仍有 待进一步研究。 纵观现有各种以硫酸亚铁制各聚合硫酸铁或硫酸铁方法，都是应用化学氧化方 法，无论是直接氧化还是催化氧化都必须用到氧化性比较强的氧化剂，并且反应 过程中存在副反应，不断降低了产品的性能，而且增加了成本，特别是催化氧化 过程中要利用催化剂，催化剂的毒性是值得关注的，应该开发新型、低能耗、低 成本、低污染氧化技术十分必要。 1 2 2 3 微生物催化氧化法氧化亚铁硫杆菌是工业微生物浸出各种金属的主要 菌中之一，张敬东“们等人通过驯化过的氧化亚铁杆菌和氧化硫硫杆菌微生物，提 出了使用硫铁矿制备铁系絮凝剂的新方法。硫铁矿主要成分是f e s z ，先经自然氧化 为f e s o 。：2 f e s 。+ 7 0 。+ 2 h ：o 一2 f e s o 。+ 2 f 。s o 。，生成的亚铁离子经氧化亚铁杆菌作用， 生成三价铁离子：f e s o 。+ 0 2 十h 。s 0 4 一f e 2 ( s o 。) 。+ h 。o ，之后f e s 。靠f e z ( s o - ) 。作用 成二价铁离子：f e 。( s o 。) ，+ f e s 。一3 f e s o 。+ 2 s ，生成的硫磺经氧化硫硫杆菌作用转 4 第一章绪论 化为硫酸：s + 2 h 。0 + 0 。一2 h 。s o 。，由以上反应构成循环反应，最终f e s 。被氧化为f e 。 ( s o 。) 。，再经水解、聚合可制得聚合硫酸铁。这种方法生产的p f s ，所采用的原料 来源广，生产设备简单，成本较低，无需高温高压和有毒催化剂，生产中无任何毒副 作用。其不足之处是产品中亚铁离子含量较高，影响净水效果，反应时间过长，限 制工业化生产。刘海宁1 等利用氧化亚铁杆菌和钛白副产物一硫酸亚铁生产出聚 合生物铁，产品酸度低( 2 1 2 3 ) ，盐基度高( 2 3 2 5 ) ，对低温低浊度水有独 特处理效果，在吉林市某热电厂中的实践应用效果良好。赵以恒“2 3 等人利用恒化 器研究了生物聚合铁( b p f s ) 的制备，其连续制备工艺简单，反应容易控制，成本低， 对p h 适应范围宽，用量少等优点，具有很好的应用前景。关晓辉等“”利用s b r 工 艺制备的生物聚合铁对低温低浊度有独特的处理效果。唐正霞等“”利用一种塑料 多面空心球作为微生物的载体，大大提高了亚铁的氧化速度。但都存在一个严重 问题，就是微生物迟缓期长、反应时间过长、沉淀严重，所得的产品全铁含量较 低，产品中亚铁含量偏高，工业应用价值不大。 1 2 3 氧化亚铁硫杆菌的研究进展 1 2 3 1 简介氧化亚铁硫杆菌( t h i o b a c i l l u s ：e r r o o x i d a n s ，简称工力属原核 生物界、化能营养原核生物门、细菌纲、硫化细菌科，硫杆菌属，是典型的化能 自养菌。好氧嗜酸，革兰氏阴性，菌体长1 o 2 0um ，宽0 5 o 8 “m ，靠鞭毛 游动“”。通过氧化亚铁离子或硫化物的获得能量，以空气中的c o 。为碳源，并吸收 氮、磷等无机营养，合成菌体细胞。广泛生存于土壤、海水、淡水、垃圾、海底 污泥、硫磺泉、沉积硫内，尤以金属硫化矿和煤矿等的酸性矿坑水中最为常见， 能在p h l 6 范围内生长，最适宜的生长条件为p h 2 0 左右，最佳温度为3 3 。c 左右 “。由于它能生长在亚铁，元素硫和硫化矿矿物上，因而成为生物湿法治金 ( b i o h y d r o m e t a l l u r g y ) 和生物脱硫中最有应用价值的菌种之一。氧化亚铁硫杆菌 在煤炭脱硫、烟气脱硫、处理酸性黄铁矿矿坑废水、处理含重金属的污泥“7 “”等 各个领域都有一定的应用研究。 图l 一1t f 菌细胞结构示意图 ( f i g1 - 1t h es k e t c hm a p o fs t r u c t u r eo f c e l l ) f ，菌在9 k 固体培养基上呈红棕色菌落，在硫代硫酸盐培养基中呈中央黄色， 外周白色的菌落，菌落直径很小，0 1 n 0 3 c m ，圆形。一个完整的细菌结构图见 图1 - 1 ”，包括细胞壁、细胞膜、细胞质、细胞核( 无核膜) ，其中f ，菌的细胞 外层的结构对其生理功能的作用是比较重要的，主要分为三个部分：一是细胞质 膜，由磷脂和蛋白质组成，二是中心区是肽聚糖和周质区，三是外膜，包括粘膜、 夹膜、鞭毛等，由脂多糖、脂蛋白和磷脂构成。 1 2 3 2 氧化亚铁硫杆菌的生长特性氧化亚铁硫杆菌是化能自养型细菌，生长 代谢速度慢，国内外很多学者对其生理特性作了很多研究，希望能对工业化应用 提供一些基本数据。 一般认为当环境p h 值在1 o 6 0 时，z ，可以利用f e 2 + 作为能源，但是 t u o v i e n “发现，在p h 低于1 2 时，细胞生长要经历长达几个月的迟缓期。 b p e s i c “2 3 利用测氧化还原电势来测定铁离子浓度的方法，研究了p h 值对f ，生 长的影响，当p h 值在1 5 3 5 范围变化时，对细胞生长没有明显影响，但是当 p h 低于1 5 或超过3 5 时，细胞生长受到强烈的抑制。g a b r i e lg e r u a n e “”研究了 p h 在2 5 7 0 范围内对f ，氧化亚铁速率的影响，当p h 超过2 5 时出现的抑制 作用与沉降在细胞表面的三价铁的氧化物有一定的关系。a m a z u e l o s ”在设计的 反应器中p h 必须处于1 o 1 6 ，当p h 1 0 时，细菌生长明显受到抑制，当p h i 1 6 时，形成相当多的黄钾铁矾沉淀，过多的黄钾铁矾沉淀将对氧化有不利影响，同 时研究了6 3 1 下温度对氧化速率的影响，随着温度的上升，三价铁的产率与温 度成线性关系，这与其他文献报道的在分批操作实验中的产率和温度成指数关系 6 第一章绪论 是不同的。g a b r i e l m e r u a n e 2 5 1 研究了p h 值2 5 - - 7 0 范围对z ，菌氧化亚铁速率的 影响，最佳的p h 为2 5 。s m a l h o t r a “6 1 等研究了最佳的氧化条件，表明p h i 8 2 2 ， 温度为4 4 为最佳试验条件。j m g 6 m e z ”7 等把f ，固定在镍合金纤维上后，得出 f ，生长的最佳温度为3 0 ，在悬浮培养中，一旦温度超过了最佳温度，细胞生 长几乎降为零，与悬浮细胞相比，温度对固定化的f ，的影响没有的那么显著，可 能是因为细胞固定过程中改变了，的某种物化性质。邱冠周”8 】等人研究了t f 菌 在生长过程中f e 2 + 浓度随时间的变化规律，并说明了f ，菌在培养后期有大量沉淀 生成并证明是黄胺铁矾 n h 4 f e 3 ( s 0 4 ) 2 ( o h ) 6 】。j m g 6 m e z 。”研究了亚铁离子对细 菌生长的影响，当亚铁离子浓度为2 3 k g m 3 得到最大的生长速度，超过这个浓度 表现出抑制作用。m n e m a t i 口”在实验中发现，填充床中5 1 0 k g m 3 的亚铁对氧化 速率没有影响，当增加到2 0 k g m 3 会引起氧化速率下降的趋势。邱建辉等“”以h 一2 软性填料作为氧化亚铁硫杆菌的固定化载体，在通气量为3 3 0 l h ，稀释率为 o 6 h - 1 条件下，f e ”最大氧化速率达7 6 7 9 l h ，运行1 0 0 d ，固定化细胞稳定性 良好。 1 2 3 3ff 菌主要代谢机理氧化亚铁硫杆菌的碳源为c o 。，氮源为n h t + ，能量主 要是利用对f e ”和s ”或s 的氧化，对于f e2 + 的氧化，普遍认为有如下两步反应“： 第一步：4 f e ”一4 f e ”+ 4 e 第二步：4 e + 0 ：+ 4 h + 一h 。0 ， 这两步是在细胞膜的两个部位进行的，第一步是在外膜或周质空间中进行的， 第二步是在细胞内膜中进行的，这种分离的过程对于阻止f e 2 + 进入细胞和将f e ” 及时送到细胞外有很重要的作用，f 氧化f e ”模型见图卜2 “” 图卜2 表明电子传递链涉及到3 种电子载体，具体来说，胞外电子通过一种含 铜蛋白质传递给细胞色素c ，该蛋白质在酸性条件下特别稳定，还原态的细胞色素 c 然后转移到细胞膜外侧，把电子传递给细胞膜中的细胞色素a 。，a 。把电子再传递 到细胞内分子态的0 。产生h 2 0 。目前已经发现了多种参与王，菌电子传递链的功能 成分，其中的有些已经被分离纯化，并提出了多种铁氧化呼吸链模式，目前一般 认为从f e 2 + 到0 。的电子传递链主要包括：亚铁氧化还原酶一铁质兰素一至少一种 细胞色素c a 。型细胞色素氧化酶等，f e 2 + 被氧化过程中，每氧化2 m o l f e ”细胞获 得1 4 k c a l 能量，形成l m o l h t p ，在氧化过程中s o ；2 一是必须的。 广东工业大学工学硕士学位论文 图卜2rf 氧化亚铁机理的模型图 ( f i 9 1 2 t h em o d e lo fo x i d a t i o no fi r o nb yfn 其中为一种稳定的含铜蛋白； ，( u 分别为细胞色素c 和细胞色素a ，； a t p a s e 为合成a t p 的一种酶。 亚铁的氧化的与a t p 的合成偶联过程可以用化学渗透偶联假说来描述”“。化学 渗透学偶联假说的中心思想是存在一种质子推动力，当电子从处于细胞表面的亚 铁脱离出来并转移到细胞内的分子氧的过程中，质子同时被转移到胞外，同时由 于胞外三价铁水解产生的氢离子都会引起了细胞内外的质子浓度梯度，从而将能 量蕴藏在质子势中，质子势推动质子由胞外经过质子通道进入胞内，在这个过程 中通过膜上的a t p a s e 酶偶联a t p 的形成。 1 3 选题的目的和意义 聚合硫酸硅酸铁作为一种新型的混凝剂，具有广阔的应用前景，现在的制备方 法多是采用聚合硫酸铁( 或硫酸铁) 和聚合硅酸复合制备，所以首先要获得聚合 硫酸铁( 或硫酸铁) ，硫酸亚铁是一种廉价的工业副产品，可以用来制备聚合硫 酸铁( 或硫酸铁) ，传统的方法是通过化学氧化方法来完成这个过程，但是要用 到氧化剂，例如h 2 0 。、k c i o 。、n a c i o 、h n o 。等强氧化剂，反应条件苛刻，成本过 高：采用催化氧化法，用到的催化剂n a n o ：是致癌物质，生产过程中投加量大，产品 中的亚硝酸根离子易超标，限制了其在饮用水处理中的应用，并且有氮的氧化物排 出，污染环境，后处理工序复杂。有人尝试用氧化亚铁硫杆菌来生物氧化硫酸亚铁 第一章绪论 来制备聚合硫酸铁，但也存在一些问题，例如反应速度过慢，并且不能长期运行， 容易产生沉淀，本实验通过生物氧化工业硫酸亚铁来制备硫酸铁，通过优化培养 条件和选育高效菌种，以及固定化一系列手段来加快生物反应速度，保证反应器 的长期运行，最后以硫酸铁和n a 。s i o 。为原料，研制出p f s s ，以降低生产成本，研 制出p f s s 的新工艺。 1 4 主要研究内容和基本思路 ( 1 ) 从自然界中采集富含氧化亚铁硫杆菌的菌液进行富集分离，掌握其生理特性； 对菌种进行自然选育和诱变选育得到耐受低p h 和具备较快氧化速率的菌种，作为 下面实验的出发菌种。 ( 2 ) 研究氧化亚铁硫杆菌的生长动力学，引用一种模型，通过多元线性拟合，得 到模型中的各种常数。 ( 3 ) 以工业硫酸亚铁为原料，通过悬浮培养，研究各种培养条件对生物氧化的影 响，以适合细菌生长的丙纶纤维作为固定化载体填料，研究了固定化过程和运行过 程中反应的各种运行条件。 ( 4 ) 制备的生物聚合铁与通过化学法制备的聚合硅酸复合制备聚硅酸硫酸铁， 研究其混凝的最佳条件和效果。 加快工躏的生长和氧化速度是本实验的重点，在本实验中，首先需要从自然 界中筛选出r 值，对其的生长特性进行研究，通过自然选育和紫外诱变来获得耐 受低p h 值和较高活性的菌种，以丙纶纤维作为固定化载体，通过吸附法固定z 瑚 菌，通过固定化细胞的氧化作用来制备聚合硫酸铁，通过这些手段来加快，躇的 生长和氧化速度。 1 5 创新之处 ( 1 ) 通过自行分离筛选原始菌种，采用生物和化学组合技术生产聚硅硫酸铁混凝 剂，这在国内尚属首创，通过研究建立新的生产工艺和方法； ( 2 ) 通过紫外诱变和丙纶纤维固定化技术来提高生物氧化能力和速度： 9 第二章实验研究方法 2 1 实验材料及仪器 2 1 1 菌种筛选 氧化亚铁硫杆菌从广东云浮某露天硫铁矿矿坑水( p h 约为2 0 ，红褐色) 中 自行分离得到。 2 1 2 细菌培养基3 5 】 9 k 液体培养基：( n h 4 ) s 0 43 9 ，k c lo 1 9 ，k z h p 0 4o 5 9 ，m g s 0 4 7 h 2 0 0 5 9 ， c a ( n 0 3 ) 2o 0 1 9 ，f e s 0 4 7 h 2 04 4 9 ，蒸馏7 ( 1 0 0 0 m l ，p h 2 0 2 1 3 主要实验药品 本实验所用的主要化学试剂和溶液以及用途见表2 1 。 表2 一l 实验主要化学试剂和溶液及其用途 ( t a b 2 1t h er e a g e n ta n ds o l u t i o nu s e d i nt h ee x p e r i m e n ta n dt h e i rp u r p o s e s ) 药剂名称 用途 9 k 培养基各成分 工业硫酸亚铁 0 0 1 m 0 1 l e d t a 标准滴定液 0 5 m o l l 铁标准溶液 0 5 ( m v ) 氨基水杨酸溶液 1 + l 氨水 h n o 。 0 2 5 m o l l 重铬酸钾溶液 硫酸+ 磷酸( 1 + 3 ) 混合酸 0 5 ( m v ) 二苯胺磺酸钠 人造香柏油 细菌生长营养物 制备硫酸铁原料 滴定铁 反滴定e d t a 标准滴定液 滴定铁的指示剂 调节p h 亚铁的氧化剂 滴定亚铁 三价铁的掩蔽剂 滴定亚铁的指示剂 油镜观察 1 0 第二章实验研究方法 硅酸钠制备聚硅酸硫酸铁原料 2 1 4 仪器 实验所用主要仪器以及用途见表2 2 。 表2 2 实验仪器及用途 ( t a b 2 2t h ee x p e r i m e n t i n s t r u m e n ta n dp u r p o s e ) 2 2 实验方法 2 2 1 菌种分离纯化方法 本实验通过9 k 培养基来富集和筛选优良氧化亚铁硫杆菌，考虑到亚铁在高温 灭菌时水解严重，细菌在固定培养基中不能形成可见菌落，并且在p h i 2 、营养 匮乏的条件，很少细菌在此条件下生存，因此本实验直接采用未灭菌的9 k 来富 集分离氧化亚铁硫杆菌。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 2 氧化亚铁硫杆菌的鉴定 通过对细菌形态观察和尺寸的测量、并且通过革兰氏染色与资料报道作对比 来鉴别氧化亚铁硫杆菌。 2 2 3 细菌细胞数量的测定 本实验采用悬滴法，利用血球计数板在光学显微镜下直接计算细菌细胞的数量 2 2 4 铁浓度的测定 本实验中采用重铬酸钾容量法测定亚铁的浓度“，采用e d t a 滴定法来测定溶 液中铁离子的浓度啪1 。 2 2 5 高效氧化亚铁硫杆菌的选育 通过自然选育逐步驯化来得到耐受低p h 值的菌种，通过紫外诱变来获得具有 较快氧化速率的高效菌种。 2 2 6 人工浊液的配制 取一定量的黄土溶于自来水中，充分搅拌，沉淀2 h 后取上部浊液重新溶于新 鲜的自来水中，反复几次，控制浊液在浊度仪的测量范围内，放置2 4 小时后备 用。 1 2 第三章菌种的分离以及高效菌种的选育 第三章菌种的分离以及高效菌种的选育 对于菌种的分离，普遍采用平扳分离，但是由于z 躏在9 k 固体培养上很难 形成可见的菌落，所以采用9 k 液体培养基通过自然筛选得到氧化亚铁硫杆菌，在 极端酸性条件下，很少细菌能在9 k 培养基生长，若对9 k 液体培养基高温灭菌，亚 铁也大量水解沉淀，所以该实验没有灭菌，而是直接通过自然培养来筛选得到z ， 菌，通过形态的观察和革兰氏染色确定为氧化亚铁硫杆菌菌种。工硝i 生长速度 慢，代谢速度慢，从而为其工业应用带来了障碍，因此选育高效菌种是将其应用 于工业化的前提条件之一。并且z 霹【化f e 2 + 时候，如果运行时间比较长就存在 沉淀过多，影响传质和氧化，对连续化和长期操作不利，因此如何减少操作过程 中沉淀的产生，提高z 韵氧化速度是工业应用的主要问题。为此一方面可以通 过研究z 躏的特性。例如p h 、温度、接种量对氧化速度的影响，通过优化条件 来加快反应速度；另一方面选育高效菌种，选育高品质的菌种，主要是通过自然 选育和驯化、诱变育种、杂交育种和原生质融合技术以及基因工程育种等手段。 其中自然选育和驯化、诱变育种是目前用的最为普遍也是最经济的育种手段。本 实验通过自然选育耐受低p h 高效菌种，通过诱变选育得到氧化速度快的菌种